Mạng cảm nhận không dây (WSN) đặc điểm cấu hình và thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường (MAC)

Mạng LAN không dây về cơ bản giống với mạng LAN có dây. Tuy nhiên, trong khi mạng LAN có dây có lưu lượng mạng của các kênh thông qua dây cáp đồng trục hoặc cáp quang thì WLAN sử dụng dải tần số radio để gửi lưu lượng truyền thông trong không gian

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Hoàng Quang Hưng

Mạng cảm nhận không dây (WSN) đặc điểm cấu hình

và thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường (MAC)

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Điện tử - Viễn thông

HÀ NỘI - 2008

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Hoàng Quang Hưng

Mạng cảm nhận không dây (WSN) đặc điểm cấu hình

và thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường (MAC)

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Điện tử - Viễn thông

Cán bộ hướng dẫn: PGS-TS Vương Đạo Vy

Cán bộ đồng hướng dẫn:

HÀ NỘI - 2008

TÓM TẮT NỘI DUNG

Mạng LAN không dây là mạng trong đó các trạm được kết nối với nhau bằng sóng radio hoặc hồng ngoại WLAN hoạt động trên cơ sở tiêu chuẩn của IEEE 802.11 trong dải tần ISM WLAN sử dụng sóng radio với các tín hiệu được điều chế theo kỹ thuật trải phổ Hoạt động của WLAN bao gồm 2 quá trình: Kiểm tra lớp vật lý (PHY)

và điều khiển thâm nhập môi trường MAC, hoạt động trong giao thức CSMA/CA Mạng WLAN cung cấp 2 chế độ cấu hình là Ad-hoc và Infrastructure, hỗ trợ đơn ô và

đa ô với tính năng di động

Mạng cảm nhận không dây WSN cũng là mạng hoạt động với nhau nhờ sóng radio Nhưng trong đó, mỗi node mạng bao gồm đầy đủ các chức năng để cảm nhận, thu thập, xử lý và truyền dữ liệu Cấu hình cho mạng WSN cũng tương tự như WLAN nhưng phức tạp hơn WLAN vì số lượng các node cũng như phạm vi hoạt động là khá lớn Các dạng cấu hình trong mạng WSN còn phải đáp ứng được các hàm kết nối của từng dạng để đảm bảo mạng hoạt động Thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường trong WSN cũng có phần giống với WLAN tuy nhiên do yêu cầu về tiết kiệm năng lượng tối đa của các node, WSN đưa ra các giải pháp để giải quyết việc tiết kiệm năng lượng bằng các chế độ lập lịch thức, ngủ cho mỗi quá trình truyền và nhận dữ liệu của mỗi node

MỤC LỤC

PHẦN 1

MẠNG LAN KHÔNG DÂY (WLAN)

Chương 1. Tổng quan về WLAN

1.1 Giới thiệu chung……… ….2

1.2 Lợi ích và ứng dụng của WLAN……… ……… 2

1.3 WLAN trên cơ sở radio……… … 3

1.3.1 Dải ISM……… …… 3

1.3.2 Điều biến dải hẹp……… ………4

1.3.3 Điều biến trải phổ……… ……… 4

1.3.3.1Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)………… ……… …… …5

1.3.3.2Trải phổ nhảy tần (FHSS)……… … …… ….6

1.4 WLAN trên cơ sở hồng ngoại……… ………7

1.4.1 Kỹ thuật WLAN dùng ánh sáng hồng ngoại khuếch tán……… ………8

1.4.2 Kỹ thuật hồng ngoại điểm-điểm……… ……….8

1.4.2.1Kết nối hồng ngoại điểm-chùm………… ……… ….8

1.4.2.2Hệ thống LAN hồng ngoại điểm-điểm……….9

1.5 Chế độ hoạt động Ad-hoc và Infrastructure……… 9

1.5.1 Chế độ Infrastructure……….9

1.5.2 Chế độ Ad-hoc……….10

1.6 Cấu hình đơn ô, đa ô trong WLAN……… …… 11

1.6.1 Đơn ô (single cell WLAN) ……… …11

1.6.2 Liên kết đơn ô……… 11

1.6.3 Đa ô……… ……… ….11

1.6.4 Chồng lấp các ô……… …………12

1.7 Ưu nhược điểm của LAN không dây……… ………12

1.7.1 Ưu điểm……… ………12

1.7.2 Nhược điểm……… ………… 13

Chương 2. Các chuẩn và thiết bị của WLAN 2.1 Chuẩn IEEE 802.11……… … 13

2.1.1 Lớp vật lý của IEEE 802.11……… ………….14

2.1.1.1 Phân lớp hồng ngoại…….……….…… ………14

2.1.1.2 Phân lớp FHSS……… ………… ………….14

2.1.1.3 Phân lớp DSSS……… ………15

2.1.2 Lớp MAC của IEEE 802.11……… ….15

2.1.2.1 Cơ chế CSMA……… …… ……….16

2.1.2.2 Cơ chế RTS/CTS…….……… ……….16

2.1.2.3 Khung dữ liệu MAC trong 802.11………… ……… …… 17

2.2 Giao thức mạng không dây……… ……… 17

2.3 Kiến trúc mạng không dây……… ………19

2.4 Phân bố địa chỉ IP……… ……….20

2.5 Thiết bị cho WLAN……… ……… 21

2.5.1 Wireless Adaptor……… ……… 21

2.5.2 Anten……… ……… 23

2.5.2.1 Đặc điểm chung của anten……… ……… ……… 23

2.5.2.2 Một số loại anten……… ……… ……….24

2.5.3 Điểm truy cập (AP)……….……… 25

PHẦN 2 MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY (WSN) Chương 1. Tổng quan về mạng cảm nhận không dây 1.1 Khái quát……….……27

1.2 Các thiết bị mạng cảm biến không dây……… 28

1.2.1 Bộ xử lý nhúng năng lượng thấp……….………29

1.2.2 Bộ nhớ và lưu trữ……….… ………29

1.2.3 Máy thu phát bức xạ (radio)………29

1.2.4 Cảm biến……….……….29

1.2.5 Hệ thống định vị địa lý………30

1.2.6 Nguồn năng lượng……… 30

1.3 Ứng dụng của mạng cảm nhận không dây……… 31

1.3.1 Quan sát môi trường sinh thái……… … 31

1.3.2 Theo dõi trong quân sự và tìm kiếm mục tiêu……….31

1.3.3 Quan sát địa chấn và cấu trúc……… 31

1.3.4 Công nghiệp và thương mại mạng cảm nhận……… 32

1.4 Thách thức thiết kế chính……… ……….32

1.4.1 Thời gian sống mở rộng……… ………33

1.4.2 Đáp ứng……… …………33

1.4.4 Bổ trợ……… 33

1.4.5 Mở rộng phạm vi……….34

1.4.6 Tính không đồng nhất……… ……… 34

1.4.7 Tự cấu hình……… ……… 34

1.4.8 Tự đánh giá và thích nghi……… ……….35

1.4.9 Thiết kế hệ thống……… ……… 35

1.4.10 An ninh và bảo mật……… ……… ………… 35

Chương 2. Triển khai mạng 2.1 Tổng quan……… ……….36

2.2 Triển khai có cấu trúc hay triển khai ngẫu nhiên……… ……….37

2.3 Topo mạng……….…… …………38

2.3.1 Single hop dạng sao……….……… ……… 39

2.3.2 Multi hop dạng lưới và ô……….……… …… 39

2.3.3 Cụm (cluster) phân cấp 2 tầng……… ………….……… 39

2.4 Kết nối trong dạng sơ đồ ngẫu nhiên……… ……….………39

2.4.1 Kết nối trong G(n,R)……… ….……….41

2.4.2 Tính đơn điệu của G(n,R)……… ……….42

2.4.3 Kết nối trong G(n,K)……… …………42

2.4.4 Kết nối và truyền tin trong G(n,p,R)……… ……43

2.5 Kết nối sử dụng điều khiển năng lượng……… ….43

2.5.1 Năng lượng nhỏ nhất để kết nối cấu trúc mạng………… … ….…….44

2.5.2 Cài đặt năng lượng chung nhỏ nhất……… ……… 45

2.5.3 Làm giảm tối thiểu năng lượng cực đại……… …….46

2.5.4 Topo điều khiển dạng hình nón……… 46

2.5.5 Cấu trúc trình duyệt mở rộng theo hình cây cục bộ nhỏ nhất ……… 47

Chương 3 Đa truy cập và chế độ ngủ 3.1 Tổng quan………48

3.2 Giao thức MAC truyền thống……… 48

3.2.1 Aloha và CSMA……… 48

3.2.2 Vấn đề node ẩn node hiện……… ………49

3.2.3 Đa truy cập tránh xung đột MACA và đặc tả 802.11……… 50

3.2.4 IEEE 802.15.4 MAC……… ………54

3.3 Năng lượng hiệu quả trong giao thức MAC… ……….55

3.3.1 Quản lý năng lượng trong IEEE 802.11………… ……… 55

3.3.2 Năng lượng cần cho đa truy cập và báo hiệu………… ………55

3.3.3 Tối thiểu hoá chi trả năng lượng tiếp nhận rảnh rỗi……… ……….….55

3.4 Kỹ thuật ngủ không đồng bộ……… ….……56

3.4.1 Bức xạ thức dậy thứ 2……… … 56

3.4.2 Lắng nghe năng lượng thấp / lấy mẫu đầu khung truyền…… ………56

3.4.3 WiseMAC……… 57

3.4.4 Truyền/nhận- bắt đầu chu kỳ tiếp nhận……… ………57

3.5 Kỹ thuật lập lịch ngủ……… 58

3.5.1 Cảm ứng MAC (S-MAC)……… 58

3.5.2 MAC thời gian chờ (T-MAC)……….59

3.5.3 MAC hội tụ dữ liệu (D-MAC)………60

3.5.4 Lập lịch ngủ có thời gian trễ hiệu quả……….61

3.5.5 Lịch ngủ không đồng bộ……… 61

CHỮ VIẾT TẮT ACK :Acknowledge

AP :Access Point

BPP :Base Band Processor

CAP :Contention Access Period

CBTC :Cone-Based Topology Control

CFP :Collision-Free Period

COWPOW :Minimum Common Power Setting

CSMA/CA :Carrier Sense Multiple Access/ Collision Avoidance CSMA/CD :Carrier Sense Multiple Access/ Collision Detection CTS :Clear To Send

D-MAC :Data-gathering MAC

DCF :Distributed Coordination Function

DESS :Delay Efficient Sleep Scheduling

DIFS :Distributed Inter-Frame Spacing

DSSS :Direct Sequence Spread Spectrum

FHSS :Frequency Hopping Spread Spectrum

FCC :Federal Communication Commission

FRTS :Future Request To Send

GPS :Global Positioning System

GTS :Guaranteed Time Slot

IEEE :Institute of Electrical and Electronic Engineering LWIM :Low-Power Wireless Integrated Microsensor

LAN :Local Area Network

LMST :Local Minimum Spanning Tree Construction

LR-WPAN :Low-Rate Wireless Personal Area Networks

MECN :Minimum Energy Connected Network Construction

NAV :Network Allocation Vector

NIC :Network Interface Card

OSI :Open System Interconnection

PAMAS :Power Aware Medium Access with Signaling

PCMCIA :Personal Computer Memory Card International Association PCF :Point Coordination Function

PHY :Physical

RICER :Receiver Initiated Cycle Reception

RTS :Request To Send

S-MAC :Sensor MAC

T-MAC :Timeout MAC

TICER :Transmitter Initiated Cycle Reception

WEP :Wired Equivalent Privacy

WINS :Wireless Integrated Networked Sensors

WLAN :Wireless Local Area Network

WSN :Wireless Sensor Network

MỞ ĐẦU Trong thời đại công nghệ thông tin bùng nổ theo từng ngày, nhu cầu sử dụng các hệ thống thông tin ngày càng cao Do vậy đòi hỏi kỹ thuật thu thập, xử lý và truyền

dữ liệu chính xác và nhanh chóng Để đáp ứng được nhu cầu đó, điều bắt buộc là phải phát triển một hệ thống truyền thông không dây kết hợp với sự đa dạng hoá các loại hình dịch vụ WLAN chính là một giải pháp chọn lựa bởi khả năng linh động trong kết nối của nó

Bên cạnh nhu cầu giao tiếp các thiết bị không dây, một nhu cầu ngày càng được đòi hỏi lớn hơn là nhu cầu về cảm biến, giám sát, theo dõi điều khiển thông minh Đặc biệt trong các lĩnh vực quân sự (kích hoạt thiết bị, điều khiển tự động các thiết bị robot), y tế (định vị, theo dõi tình trạng sức khoẻ bệnh nhân và báo động khẩn cấp tự động), môi trường (giám sát lũ lụt, thiên tai…) và một vài lĩnh vực về đời sống khác (nhà thông minh, điều khiển giao thông tự động tránh ùn tắc…) Để giải quyết nhu cầu này, người ta phát triển hệ thống mạng cảm nhận không dây (WSN) WSN tạo ra môi trường giao tiếp giữa các thiết bị thông minh, hay giữa các thiết bị thông minh với con người hoặc các hệ thống viễn thông khác

Cùng với những ưu điểm mà WSN mang lại, còn những mặt hạn chế khả năng hoạt động của mạng Đó chính là: mạng WSN có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các node bằng sóng vô tuyến trong đó các node mạng thường là các thiết bị đơn giản, gọn nhẹ, rẻ tiền, có số lượng lớn và phân bố khá rộng Lưu lượng dữ liệu lưu thông trong WSN là thấp và không liên tục, thông thường thời gian 1 node mạng ở trạng thái nghỉ lớn hơn trạng thái hoạt động rất nhiều, do vậy cần có giải pháp tiết kiệm năng lượng tối đa Không những vậy, các node mạng của WSN đôi khi còn phải hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, được bố trí ngẫu nhiên nên có thể di chuyển làm thay đổi cấu hình mạng Vì vậy đòi hỏi các node mạng còn có khả năng tự động cấu hình và thích nghi Cuối cùng là những khó khăn về vấn đề bảo mật và an ninh bởi khả năng hoạt động tự động của các node mạng

Khoá luận này, bên cạnh việc nêu lên đặc điểm cấu hình và hoạt động của WLAN, tập trung chính vào đặc điểm cấu hình và thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường của mạng WSN Với kiến thức còn hạn hẹp, thời gian nghiên cứu không dài và tài liệu tham khảo có chưa nhiều, do vậy khoá luận không tránh khỏi những sai sót Vậy kính mong các thầy cùng các bạn sinh viên quan tâm chia sẻ đóng góp ý kiến để khoá luận được hoàn thiện

Em xin chân thành cám ơn!

PHẦN 1

MẠNG LAN KHÔNG DÂY (WIRELESS LAN HAY WLAN)

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ WLAN

1.1 Giới thiệu chung

Mạng LAN không dây về cơ bản giống với mạng LAN có dây Tuy nhiên, trong khi mạng LAN có dây có lưu lượng mạng của các kênh thông qua dây cáp đồng trục hoặc cáp quang thì WLAN sử dụng dải tần số radio để gửi lưu lượng truyền thông trong không gian Mạng WLAN cũng có thể sử dụng tia hồng ngoại nhưng với những giới hạn khoảng cách ngắn

Mạng LAN không dây có thể dùng cho máy tính xách tay hoặc máy để bàn, hoặc PDA để truy cập nội hạt mà không phải kết nối bằng dây Do vậy, WLAN thường được cài đặt trong những vùng khó lắp đặt hoặc những nơi có nhiều người sử dụng máy tính xách tay hay PDA di động

Mỗi điểm truy cập có một máy phát và một máy thu, một anten và một bộ phận hoạt động như Bridge (cầu) Một điểm truy cập có thể phục vụ một số người sử dụng, nhưng khi có nhiều người cùng kết nối, liên kết trở nên chậm Người dùng có “bộ tiếp hợp không dây” bên trong máy tính có thể truy cập bất cứ ở đâu trong phạm vi hoạt động kể từ điểm truy cập, vì tín hiệu radio không dây có thể xuyên qua hầu hết tường hay sàn nhà Ngoài khoảng cách ra, tốc độ truyền dữ liệu còn phụ thuộc cả vào các vật cản trên đường đi của tín hiệu Độ rộng tần số trong chuẩn 802.11 qui định ở tốc độ cao truyền gần hơn

Nếu dùng mô hình Ad hoc, một số trạm làm việc bị che khuất so với các trạm khác sẽ mất khoảng 40% hiệu suất mạng Nếu dùng mô hình điểm giao dịch thì chỉ cần thấy nhau giữa điểm giao dịch và từng trạm làm việc, tránh được vấn đề trên

1.2 Tiện ích và ứng dụng của WLAN

Với WLAN, người sử dụng có thể truy cập những thông tin dùng chung và người quản trị mạng có thể thiết lập hoặc mở rộng mạng mà không phải lắp đặt thêm thiết bị

cập thông tin với thời gian thực ở bất cứ nơi đâu trong phạm vi hoạt động Sự di động

hỗ trợ một cách hiệu quả các dịch vụ mà mạng có dây không thể làm được Việc cài đặt và thiết lập một hệ thống WLAN không cần đến các đường cáp, đầu tư ban đầu cho phần cứng WLAN có thể cao hơn của LAN, nhưng chi phí cho cài đặt và thời gian tồn tại có thể thấp hơn một cách đáng kể

WLAN có 2 ứng dụng chủ yếu:

- Kết nối giữa các toà nhà

- Kết nối mạng không dây và có dây (wireless – wire)

Tất cả WLAN hoạt động trên dải tần số không đăng ký ở gần tốc độ mạng Ethernet (100Mbps) sử dụng giao thức sóng mạng radio hoặc hồng ngoại

Phần lớn các thiết bị này đều có thể truyền thông tin trên 1000 feet giữa các máy tính trên môi trường hoạt động và chi phí sử dụng trong phạm vi từ 150$ - 800$

1.3 WLAN trên cơ sở Radio

Sự thuận lợi của sóng radio trong kết nối là chúng truyền qua tường và các vật cản khác mà suy giảm yếu Thậm chí, qua nhiều bức tường tách rời người sử dụng và server hoặc cầu không dây, mạng vẫn có thể duy trì kết nối Tuy nhiên, khi có nhiều thiết bị như trong y học, công nghiệp cùng hoạt động với một tần số radio theo WLAN

sẽ gây ra tạp nhiễu Vì vậy, người ta đã đưa ra luật và phương pháp để giải quyết vấn

Điều này càng có lợi khi di chuyển thường xuyên, vì khi đó có thể tránh được giấy tờ phức tạp vì đăng ký lại sản phẩm ở vị trí mới Ngoài ra, còn nhiều dải tần số cao hơn, hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao hơn

Dải tần số ISM 2.4 GHz là dải không đăng ký có hiệu lực ở mọi nơi Nhưng các nhà sản xuất phát triển các sản phẩm trong dải 902 MHz vì cho rằng dải này tiết kiệm hơn

1.3.2 Điều biến dải hẹp

Những hệ thống radio như TV sóng radio FM và AM sử dụng điều biến dải hẹp Những hệ thống này tập trung tất cả các công suất phát sóng trong một dải hẹp tần số, tạo ra hiệu quả sử dụng phổ radio Khi hệ thống khác sử dụng cùng tần số, sẽ gây ra rất nhiều nhiễu làm hỏng nhiều tín hiệu Để tránh nhiễu, FCC yêu cầu người sử dụng hệ thống dải hẹp đạt được toạ độ hoạt động chính xác của sóng radio Những sản phẩm dải hẹp có nhiều ưu điểm vì hoạt động không có nhiễu Nếu nhiễu xảy ra, FCC sẽ giải quyết vấn đề đó Điều này làm cho điều chế dải hẹp tốt với những kết nối kéo dài vượt kích thước địa lý của vùng trung tâm

1.3.3 Điều biến trải phổ

Điều biến trải phổ có rất nhiều tính năng, quan trọng nhất là:

- Chống lại nhiễu vô tình hay cố ý, đây là một tính năng quan trọng cho thông tin ở vùng bị tắc nghẽn như ở các thành phố

- Có khả năng loại trừ hay giảm bớt ảnh hưởng của truyền sóng nhiều tia gây trở ngại rất lớn trong thông tin đô thị

- Có khả năng dùng chung ba lĩnh vực: công nghiệp, khoa học và y học (dải ISM) với công suất đến 1W ở các băng tần sau: 902-928 MHz, 2.4-2.4835 GHz và 5.725-5.85 GHz (theo tiêu chuẩn FCC)

- Nhờ sử dụng các mã trải phổ giả ngẫu nhiên nên khó bắt trộm tín hiệu

Ở các hệ thống thông tin thông thường, độ rộng băng tần là vấn đề quan tâm chính và các hệ thống này được thiết kế càng tốn ít độ rộng băng tần càng tốt Ở các hệ thống thông tin trải phổ, độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng, thông thường hàng trăm lần trước khi được phát Khi có một người sử dụng băng tần SS (Spread Spectrum) sẽ không hiệu quả, tuy nhiên ở môi trường nhiều người sử dụng, họ có thể dùng chung một băng tần SS và hệ thống trở nên có hiệu quả mà vẫn duy trì được các

ưu điểm của trải phổ

Trải phổ là gì? Điều chế trải phổ là trải công suất tín hiệu trên một dải rộng tần

số Điều này trái với yêu cầu duy trì thông tần số, nhưng quá trình trải tạo nhiều tín

truyền và tạp nhiễu điện khác dải thông hẹp, sẽ chỉ nhiễu với phần nhỏ của tín hiệu trải phổ, kết quả là ít nhiễu hơn và ít lỗi hơn khi thu tín hiệu dải điều chế Sự điều biến trải phổ sử dụng một trong hai phương pháp để trải tín hiệu trên vùng rộng: Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) và trải phổ nhảy tần (FHSS)

1.3.3.1 Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)

Trải phổ chuỗi trực tiếp kết hợp tín hiệu dữ liệu ở trạm gửi đi với dữ liệu có tốc

độ bit tuần tự cao hơn, có liên quan tới mã chip (cũng được xem là hệ số xử lý processing gain) Tín hiệu dữ liệu được chồng lên sóng mạng Trong thời gian này, một sự lan truyền hoặc một mã chip được sử dụng để tạo ra các bit dư thừa được truyền Do đó tín hiệu xuất hiện ở dưới công suất dải băng nhiễu tới máy thu không định hướng Mã chip được áp dụng tới từng bit của dữ liệu Một trong những lợi thế của việc sử dụng mã lan truyền là một hoặc cao hơn một bit trong chip bị lỗi trong thời gian truyền, kỹ thuật này được áp dụng cho sóng radio để khôi phục dữ liệu gốc mà không cần sự truyền lại Tỷ lệ dữ liệu trên bề rộng của mã lan truyền được gọi là độ tăng ích xử lý Hệ số xử lý cao tăng tính chống nhiễu của tín hiệu Hệ số xử lý nhỏ nhất theo FCC là 10, và hầu hết các sản phẩm hoạt động trên 20

Với DSSS, luồng dữ liệu gốc được nhân lên bởi việc trải “mã chip” Quá trình này bị phá vỡ mỗi bit dữ liệu trong nhiễu “dãy bit” hoặc chip được đại diện là 0 hoặc 1 trong một mẫu thiết lập và truyền các chip này trên dải tần số rộng hơn so với dải thông thường của luồng dữ liệu Khi đó máy thu “ có cùng khoá mã chip” sẽ thu được dải truyền của chip Quá trình ngược lại thông qua việc “ giải mã” và tập hợp lại luồng

dữ liệu gốc Thay cho việc sử dụng tín hiệu riêng lẻ của thời gian bất kỳ qui định cho quá trình truyền ( giống như một quá trình truyền thông radio thông thường), tín hiệu hẹp mà luồng dữ liệu sẽ “nhảy qua” (giống FHSS) Luồng dữ liệu trong hệ thống DSSS được gửi trong phạm vi rộng trong dải Khi trình tự chip lớn hơn sẽ có dải truyền rộng hơn trên tín hiệu gốc được trải ra

là nhỏ để trong thực tế nó được xem giống như tạp nhiễu trong phổ radio

Ứng dụng của mã chip tạo nên tín hiệu có độ rộng khoảng chừng 11MHz Việc

sử dụng dải rộng trong kỹ thuật trải phổ cung cấp phạm vi miễn dịch với nhiễu Các nguồn nhiễu sẽ chỉ gây nhiễu một phần nhỏ của tín hiệu Nếu điều đó xảy ra, tín hiệu gốc có thể được thu lại nhờ hệ thống mã hoá

Sự thay đổi tỷ lệ

Hệ thống DSSS sử dụng cực đại là 11 kênh Trong đó có 3 kênh không chồng lấp lên nhau: 1, 6, 11 Sự liên quan này có nghĩa là sự thực hiện có thể chỉ có 3 kênh Các Acess Point chồng lấp trong vùng bao phủ qui đinh

1.3.3.2 Trải phổ nhảy tần (FHSS)

FHSS tương tự sự truyền radio FM, được mang bởi dải hẹp mà có thể thay đổi tần số Tiêu chuẩn 802.11 cung cấp 22 mẫu nhảy và dịch tần số trong dải 2.4 GHz ISM Mỗi kênh là 1 MHz và tín hiệu phải dịch tần số hoặc nhảy ở tốc độ nhảy cố định

FH là quá trình bằng cách phát thu sóng radio trên một tần số với chu kỳ ngắn của thời gian (được gọi là thời gian tồn tại) và khi đó sẽ thay đổi hoặc nhảy đến tần số khác Kỹ thuật FHSS tạo ra trong dải ISM là 78 kênh độc lập Mỗi một phần mười của giây, tín hiệu lại truyền từ một tần số này sang một tần số khác Sự lựa chọn các kênh dựa trên cơ sở thuật toán bước nhảy giả ngẫu nhiên

FHSS làm việc giống như tên ngụ ý của nó Nó mang tín hiệu dữ liệu để điều chế với tín hiệu sóng mang mà nhảy từ tần số này sang tần số khác giống như một hàm của thời gian trên một dải tần số rộng Ví dụ như nhảy qua tần số sóng mang trên dải 2.4 GHz giữa 2.4 GHz và 2.483 GHz Mã nhảy quyết định tần số radio sẽ truyền theo thứ

tự Để thu được tín hiệu một cách chính xác, máy thu phải đặt cùng một mã nhảy và

“nghe” tín hiệu đến thời gian thích hợp và tần số chính xác Qui tắc FCC yêu cầu các nhà sản xuất sử dụng tần số 75 hoặc hơn cho mỗi kênh truyền với thời gian dừng đều đặn lớn nhất (thời gian ở từng tần số riêng) là 40ms Nếu sóng radio bắt gặp nhiễu trên tần số nào đó, nó sẽ truyền lại tín hiệu ở bước nhảy tiếp theo trên một tần số khác

Kỹ thuật nhảy tần giảm bớt nhiễu bởi vì sự truyền từ hệ thống dải hẹp sẽ làm ảnh hưởng tới tín hiệu trải phổ khi nó sử dụng tần số của tín hiệu dải hẹp Do đó, toàn bộ nhiễu sẽ thấp, dẫn tới có ít hoặc không có bit lỗi

Sự hoạt động của sóng radio có thể sử dụng trong cùng dải tần số và không bị nhiễu, chúng sử dụng từng mẫu nhảy khác nhau Trong khi một sóng radio đang truyền

đó, tất cả người sử dụng trong cùng một mạng cục bộ phải sử dụng cùng mã Điều này đem đến khả năng cho Wlan hoạt động lẫn nhau trong cùng một dải tần số mà không nhiễu, miễn là gán chúng vào miền quan sát trực giao với mã lan truyền Yêu cầu FCC cho tần số truyền khác nhau cho phép sóng radio nhảy tần số để có kênh không nhiễu Giải pháp FH giảm độ nhạy với nhiễu từ các bộ phát radio khác và nguồn tạp nhiễu trong dải 2.4 GHz, bởi vì tần số phát là dịch chuyển cố định từ dải 1 MHz đến tần số tiếp theo Nhiễu chỉ được xem như một phần nhỏ trong toàn bộ thông lượng trong một môi trường có nhiều nhiễu

Bảo mật

Giải pháp có độ an toàn cao, và là giải pháp tốt cho các ứng dụng trong quân đội

và qui định bắt buộc Sự thay đổi tự nhiên cố định của những hệ thống này làm cho rất khó để ngăn chặn hoặc tắc nghẽn Để ngăn chặn tín hiệu, người xâm nhập vào phải biết được cả quá trình truyền tần số hiện hành và mẫu nhảy để bức chế tần số tiếp theo

mà hệ thống sẽ nhảy qua Thông tin giống nhau phải được nhận biết bởi một người nào

đó bị tắc nghẽn khi truyền, trừ khi tắc nghẽn trong toàn bộ dải 2.4 GHz

1.4 WLAN trên cơ sở ánh sáng hồng ngoại

Ánh sáng hồng ngoại là một trong những cách thức sử dụng sóng radio cho sự liên kết WLAN Bước sóng của ánh sáng hồng ngoại trong dải từ 0.75 đến 1.000 µm,

là dải dài hơn ( tần số thấp hơn) quang phổ màu nhưng ngắn hơn ( tần số cao hơn) sóng radio Dưới mọi trạng thái của ánh sáng, ánh sáng hồng ngoại không nhìn thấy được bằng mắt thường Sản phẩm WLAN dùng ánh sáng hồng ngoại hoạt động quanh bước sóng 820nm vì không trung xuất hiện tắt dần ít nhất tại điểm ở trong phổ hồng ngoại

So với sóng radio, ánh sáng hồng ngoại cho sự an toàn và tín hiệu mức độ cao hơn Nhưng LAN này đảm bảo vì ánh sáng hồng ngoại không truyền qua các vật chắn sáng như tường, bảo vệ tín hiệu dữ liệu bao gồm ở trong phòng hoặc toà nhà Hơn nữa nguồn tạp nhiễu thông thường như lò vi sóng và máy phát radio sẽ không nhiễu với tín hiệu ánh sáng hồng ngoại Về mặt hiệu suất ánh sáng hồng ngoại không thích hợp cho các ứng dụng di động bằng việc sử dụng sóng radio bởi vì mức độ bao phủ của nó có giới hạn

WLAN dùng ánh sáng hồng ngoại bao gồm 2 thành phần chính là card điều hợp hoặc khối điều hợp và bộ chuyển đổi Card điều hợp cắm vào PC hoặc máy in thông qua khe ISA hoặc PCMCIA ( hoặc kết nối với cổng song song) Bộ chuyển đổi, giống

như anten với WLAN trên cơ sở radio, gắn liền với các phần của tường hoặc phòng làm việc Card điều hợp điều khiển các giao thức cần cho sự hoạt động trong môi trường trung gian, và bộ chuyển đổi phát thu tín hiệu ánh sáng hồng ngoại

Có 2 loại WLAN dùng ánh sáng hồng ngoại:

- Khuếch tán

- Điểm điểm

1.4.1 Kỹ thuật WLAN dùng ánh sáng hồng ngoại khuếch tán

Sử dụng thiết bị hồng ngoại khuếch tán cho điều khiển TV từ xa cho phép bạn điều khiển TV từ một khoảng cách mà không sử dụng dây (remote control) Khi bạn

ấn nút từ xa, tương ứng với mã điều biến tín hiệu ánh sáng hồng ngoại được truyền tới

TV TV thu mã và thực hiện chức năng chuyển đổi thích hợp Điều này khá đơn giản nhưng WLAN trên cơ sở hồng ngoại không phức tạp hơn Sự khác nhau chủ yếu là vì WLAN sử dụng ánh sáng hồng ngoại ở mức nguồn cao hơn không đáng kể và sử dụng giao thức hệ thống truyền thông để truyền tải dữ liệu

Khi sử dụng ánh sáng hồng ngoại trong Wlan, độ cao tối đa có thể là điểm phản

xạ Kỹ thuật này sử dụng giao thức chiều sóng mang để phân chia truy cập từ độ cao tối đa

Wlan dùng ánh sáng hồng ngoại khuếch tán làm việc cũng tương đương như trước, vì vậy sẽ hoạt động nhanh Tốc độ dữ liệu tiêu biểu là 1-4 Mbps người bình thường có thể gửi sử dụng tia sáng và mã Morse Giá cho những loại card không giây trong phạm vi từ 200$ -500$ mỗi cái

Các trạm ánh sáng hồng ngoại khuếch tán bị giới hạn trong các khoảng cách, điển hình 30-50 feet ở mức thấp hơn độ cao tối đa, phạm vi nhỏ bé giữa các trạm Độ cao tối đa là 10 feet sẽ giới hạn quanh phạm vi 40 feet Để mở rộng phạm vi hoạt động, có thể sử dụng điểm truy cập hồng ngoại để kết nối giữa các ô qua đường dây chính

1.4.2 Kỹ thuật hồng ngoại điểm - điểm

Một số sản phẩm hồng ngoại hoạt động dạng điểm-điểm là các thiết bị trực tiếp duy trì kết nối với các thiết bị khác 2 sản phẩm rất khác nhau trong loại này là các thiết bị “điểm và chùm” chuyển đổi trực tiếp các tệp giữa các máy tính với các thiết bị ngoại vi và hệ thống với ánh sáng hồng ngoại điểm - điểm

Kết nối hồng ngoại “điểm và chùm” thực chất không phải là WLAN, nhưng chúng cung cấp kết nối nối tiếp không dây giữa máy tính và thiết bị ngoại vi bằng cách thay thế các cáp riêng lẻ bằng chùm ánh sáng Kỹ thuật này làm cho việc chuyển đổi các tệp được dễ dàng giữa các máy tính xách tay và trạm làm việc trên bàn

1.4.2.2 Hệ thống Lan hồng ngoại điểm - điểm

InfraLAN bao gồm đúng một cặp chuyển đổi, một quá trình truyền và một quá trình nhận InfraLAN thay thế cho mạng Token Ring với ánh sáng hồng ngoại để có thể đạt đến khoảng cách 75 feet

Những thuận lợi của việc sử dụng InfraLAN là hiệu suất cao và sự an toàn Bởi

vì chùm tia hồng ngoại hội tụ, hệ thống có thể làm phù hợp yêu cầu thực thi Tín hiệu điện không bị nhiễu với tần số cao của ánh sáng hồng ngoại Bất lợi của phương pháp này là nó không phù hợp với khả năng di động, nó chỉ thích hợp với môi trường một hội nghị

1.5 Chế độ hoạt động Ad hoc và Infrastructure

IEEE 802.11 b xác định có 2 bộ phận chính của thiết bị, trạm không dây, thường

là PC hay máy tính xách tay với bộ tiếp hợp giao diện mạng không dây (NIC) và một điểm truy cập (AP), hoạt động như một cầu nối giữa các trạm không dây và hệ thống phân tán (DS) hoặc các mạng có dây Có 2 chế độ hoạt động trong IEEE 802.11b là chế độ Ad hoc và chế độ Infrastructure

1.5.1 Chế độ Infrastructure

Chế độ này bao gồm một AP được kết nối với hệ thống DS

- BSS (Basic Service Set): AP cung cấp chức năng cầu nội hạt cho BSS Tất cả các trạm không dây truyền thông với AP và không có sự truyền thông trực tiếp dài hơn Tất cả các khung đều được tiếp nhận giữa các trạm bởi AP

- ESS (Extended Service Set): là hệ thống Infrastructure BSS, nơi mà AP truyền thông giữa chúng để khả năng tải tiếp theo từ một BSS này tới một BSS khác làm cho các trạm không dây dễ dàng di chuyển hơn Có thể hình dung ESS là một dạng mở rộng của BSS, được minh hoạ như hình dưới đây

Hình 1 Chế độ Infrastructure dạng BSS và ESS

1.5.2 Chế độ Ad hoc

- BSS độc lập (IBSS) hoặc ngang hàng (peer to peer): các trạm không dây truyền thông trực tiếp với nhau Mỗi trạm có thể không truyền thông với các trạm khác trong phạm vi giới hạn Không có AP trong IBSS vì vậy tất cả các trạm đòi hỏi phải ở trong phạm vi của trạm khác và chúng truyền thông trực tiếp với nhau

Hình 2 Chế độ Ad-hoc

1.6 Cấu hình đơn ô, đa ô trong WLAN

1.6.1 Đơn ô (single cell WLAN)

Sử dụng với một phòng làm việc nhỏ hay nhà máy WLAN đơn ô yêu cầu NIC không dây để liên kết với mạng, không cần thiết AP Có thể dễ dàng tạo một mạng WLAN với 2 hoặc nhiều hơn bộ tiếp hợp PCMCIA trong phạm vi hoạt động, với chế

độ Ad hoc cho người sử dụng

Vùng bao phủ bởi các trạm trong mạng ngang hàng được gọi là vùng dịch vụ cơ bản (Basic Service Area) BSA bao phủ khoảng chừng 150feet tiêu biểu cho môi trường phòng làm việc, WLAN đơn ô sóng radio như BSA có thể hỗ trợ 6-25 người sử dụng mà vẫn có thể truy cập mạng ở mức độ chấp nhận được

1.6.2 Liên kết đơn ô

- Các ô được kết nối với Lan thông qua cầu không dây (wireless bridging) Cầu

có thể được lắp đặt back to back với một điểm truy cập liên kết với hàng loạt mạng

- Các ô được kết nối với một Ethernet LAN thông qua một điểm truy cập ( cầu

có dây) Điểm truy cập kết nối bộ khung của Ethernet Lan có dây thông qua cáp đơn Chức năng của AP giống như cầu nối giữa Lan có dây và ô Các trạm trong ô của các ô liên kết khác có thể truy cập đến tất cả các phương tiện của LAN có dây

1.6.3 Đa ô

Nếu việc thiết lập mạng yêu cầu phạm vi lớn hơn, có thể sử dụng hệ thống cầu nội hạt không dây (điểm truy cập) và mạng chính có dây tạo ra cấu hình đa ô Điều này cho phép người sử dụng không dây từ các ô khác nhau truyền thông với nhau, cũng cho phép người dùng không dây truy cập tới tài nguyên của mạng có dây

Như vậy cấu hình này có thể bao phủ với phạm vi lớn hơn như các tầng của một toà nhà, khu công trường hay bệnh viện

Trong các môi trường này, máy tính xách tay với bộ tiếp hợp LAN không dây cũng có thể hoạt động trong vùng bao phủ để duy trì sự tồn tại một liên kết đến mạng xương sống Tiêu biểu là mỗi điểm truy cập sử dụng một mã lan truyền hoặc một tần

số khác nhau

Cấu hình WLAN lý tưởng phụ thuộc chủ yếu vào nhu cầu người sử dụng và địa

lý Nếu có một nhóm tương đối nhỏ yêu cầu khả năng kết nối không dây với nhau hoặc

nếu người dùng trải ra khắp nơi thì phải cần tới cấu hình đa ô Trong cả 2 trường hợp, Bridge cần thiết để hỗ trợ người dùng truy cập đến tài nguyên trên cơ sở hạ tầng mạng

có dây

Chức năng điển hình trong mạng đa ô là roaming, cho phép người dùng không dây chuyển ô không cần đường dẫn Giao thức roaming chỉ làm việc với lớp MAC, vì vậy nó không làm việc trên bộ router Với “roaming”, người sử dụng có thể di chuyển

tự do giữa các ô chồng lấp mà vẫn liên tục duy trì liên kết mạng Một trạm thực thi khả năng di động của nó “lựa chọn” điểm truy cập ở trong vùng của nó để cung cấp tín hiệu trong suốt quá trình di chuyển

Nhiều điểm truy cập có thể được xác định vị trí giống như cách để đưa tin trong vùng bao phủ, vì vậy sẽ tạo ra đa ô Các trạm trong vùng đa ô sẽ tự động “chọn” điểm truy cập tốt nhất để truyền thông Điều này có lợi trong vùng mà lưu lường đường truyền mạng lớn mong đợi thông lượng của đa ô được nhân lên khi sử dụng công nghệ WIX- cơ chế chuyển mạch không dây tự động

Đa ô, với sự tăng lên điểm truy cập, có thể cung cấp hệ thống dự phòng cố định

và đảm bảo sự hoạt động an toàn tin cậy của WLAN

1.7 Ưu nhược điểm của LAN không dây

- WLAN có thể hoạt động riêng biệt trong phạm vi một toà nhà, cơ quan hay khuôn viên trường học

- WLAN có thể tồn tại sau một vụ thiên tai như động đất

- Tiết kiệm chi phí và thời gian ở những nơi khó khăn với việc nối cáp

- WLAN không gây hại đến sức khoẻ con người Công suất phát của các thiết

bị có độ an toàn cho sức khoẻ con người (dưới 36dB) theo chuẩn 802.11b

1.7.2 Nhược điểm

- Tốc độ truyền dữ liệu thấp: 1, 2, 11 Mbps và cao nhất là 54 Mbps vẫn còn kém nhiều so với mạng Ethernet với tốc độ 100Mbps

- Giá thành thiết bị và chi phí ban đầu cao

- Thiếu các chuẩn chung Do tất cả các sản phẩm không dây phải tuân theo những qui định quốc gia về giới hạn tần số để tránh ảnh hưởng nhiễu lẫn nhau Vì thế phải mất thời gian dài để đưa ra các giải pháp toàn cầu

Giới hạn khoảng cách truyền dữ liệu xa bị hạn chế do môi trường truyền dễ bị ảnh hưởng bởi các nhiễu tồn tại

- Lớp MAC chỉ ra các dịch vụ MAC và các giao thức khác

- Lớp vật lý gồm 3 phân lớp Trong đó 1 phân lớp dựa trên cơ sở hồng ngoại (IR), 2 phân lớp dựa trên cơ sở sóng vô tuyến FHSS ( Frequency Hopping Spread Spectrum) và DSSS ( Direct Sequence Spread Spectrum) với cả 2 loại

đều thuộc dải băng tần 2.4 GHz Tất cả đều hoạt động ở tốc độ 1 hoặc 2 Mbps 802.11 cũng đưa ra chuẩn hỗ trợ tốc độ cao 5 và 11 Mbps Nếu môi trường có nhiễu thì các thiết bị 802.11 sẽ phát ở tốc độ thấp như 1 Mbps hoặc

2 Mbps có thể tới 5 Mbps Ngược lại, nếu môi trường ít nhiễu thì có thể sử dụng truyền tốc độ cao hơn, có thể tới 11 Mbps

Ánh sáng hồng ngoại đưa ra mức độ an toàn và khả năng thực hiện cao hơn sóng

vô tuyến Có dải thông lớn nên hoạt động ở tốc độ cao hơn, IR đôi khi còn được gọi là bức xạ nhiệt nó là một dạng của bức xạ điện từ Phổ hồng ngoại chiếm một vùng khá rộng trong phổ tần số của sóng điện từ và thường được chia làm 3 vùng: hồng ngoại gần, hồng ngoại trung bình và hồng ngoại xa Hồng ngoại được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghệ hiện đại, trong tự động hoá Trong kỹ thuật truyền tin bằng sợi quang người ta có thể truyền cùng một lúc 15000 cuộc gọi điện thoại hay 12 kênh truyền hình qua một sợi quang dẫn với đường kính 0.13mm Trong truyền dữ liệu, lượng thông tin được truyền đi bằng bức xạ hồng ngoại lớn hơn gấp nhiều lần so với sóng điện từ Dựa vào các sóng hồng ngoại và các bức xạ hồng ngoại mà người ta có thể dò tìm thấy bức

xạ nhiệt của vật chất, của cơ thể người cách hàng km với độ chính xác cao, hay có thể nhìn thấy vật vào ban đêm với hình ảnh nhiệt thu được

2.1.1.2 Phân lớp FHSS

Công nghệ trải phổ FHSS cho phép nhiều mạng cùng tồn tại trong cùng một diện tích và các mạng được tách biệt với nhau bằng các tần số khác nhau Mỗi kênh có độ rộng là 1 MHz trong dải 2.4 GHz

Khung vật lý của 802.11 dùng FHSS:

- SYN (Synchronization): có độ dài 80bit có chức năng đồng bộ

- PLW (độ dài từ): chỉ độ dài dữ liệu, tính bằng byte gồm 32 bit CRC nằm ở cuối dữ liệu

- PSF (trường thông báo): Hiển thị tốc độ có thể là 1 hoặc 2 Mbps

- HEC (Header Error Check): dùng chuẩn CRC 16 của ITU-T

- Payload: dữ liệu của khung vật lý PLCP, có độ dài tuỳ ý

2.1.1.3 Phân lớp DSSS

Ta biết rằng trong không gian luôn tồn tại các sóng điện từ từ những nguồn khác như các hệ thống phát thanh, truyền hình… Biên độ của chúng tạo thành các nhiễu nền Nên khi sử dụng kỹ thuật trải phổ DSSS, tín hiệu được phân bố trên các băng tần rộng nên năng lượng trải ra thay vì tập trung tạo dải băng tần hẹp Kết quả là với công suất phát tín hiệu, DSSS có mức phát thấp hơn nhiều nền

Trong nguyên tắc thu phát vô tuyến trong băng tần hẹp, mức phát tín hiệu phải lớn hơn mức nhiễu nền để đầu thu có thể loại bỏ được nhiễu và tách tín hiệu ban đầu Nếu tại đầu thu có tồn tại một mức tín hiệu khác với biên độ tương đương thì DSSS không thể tách tín hiệu này ra Đây là hiện tượng nhiễu xuyên kênh

Khung vật lý của 802.11 dùng DSSS cùng dải tần số 2.4 GHz Sử dụng phương thức điều chế DBPSK với tốc độ 1 Mbps và dùng DQPSK với tốc độ 2 Mbps:

SYN SFD Signal Service Length HEC Payload

- SYN: gồm 128 bit có chức năng đồng bộ

- SFD: gồm 16 bit để đồng bộ ở đầu khung, được biểu diễn:

01010000110010101

- Signal: cho tới nay mới chỉ dùng 2 giá trị để chỉ tốc độ của dữ liệu là 0x0A tương ứng với tốc độ 1 Mbps (DBPSK), 0x14 tương ứng với tốc độ 2 Mbps (DQPSK)

- Service: trường này giành cho tương lai Tuy nhiên 0x00 chỉ khung 802.11

- Length: 16 bit dùng chỉ độ dài dữ liệu

- HEC: dùng chuẩn CRC-16 của ITU-T

- Payload: dữ liệu khung vật lý của PLCP

2.1.2 Lớp MAC của IEEE 802.11

Phân lớp MAC có chức năng sau:

- Hỗ trợ việc định địa chỉ

- Hỗ trợ việc chia sẻ truy cập môi trường bằng cách dùng giao thức đa truy cập cảm ứng sóng mang có tránh xung đột CSMA/CA

- Định ra giao thức RTS/CTS để hỗ trợ tránh xung đột

- Cung cấp dịch vụ đồng bộ và dịch vụ giới hạn (Time Bounded Service)

- Chia nhỏ dữ liệu mã hoá

- Đảm bảo kiểm tra lỗi CRC để dữ liệu không bị hư hỏng và mất mát trên đường tryền

2.1.2.1 Cơ chế CSMA/CA (Carrier sense multiple access with collission avoidance)

Đây là cơ chế đa truy cập cảm nhận sóng mang tránh xung đột Cơ chế này thăm

dò môi trường bằng sóng mang nhưng không giống như CSMA/CD của Ethernet 802.3 là gửi đi tín hiệu cho đến khi xung đột được nhận biết Ở đây, dữ liệu chỉ được phát khi có thiết bị nhận đang sẵn sàng nhận dữ liệu và không có bộ phát nào truyền

dữ liệu Loại này gọi là nghe trước khi nói

Trước khi gửi một gói dữ liệu thiết bị phải lắng nghe đường truyền xem có rỗi hay không Nếu không có sự chiếm đường truyền thì thiết bị truyền gói Nếu có thì nó chọn một ngẫu nhiên “nhân tố backoff” mà xác định rằng số lượng thời gian mà nút phải chờ đợi cho đến khi nó được phép truyền gói của nó Trong suốt thời gian kênh rỗi, nút truyền cản trở nút khác đếm backoff của nó Khi kênh bận, nó không phải làm cản trở nút khác đếm backoff của nó Khi nút đếm backoff đạt đến 0, thì nút truyền gói Khả năng 2 nút chọn cùng nhân tố backoff là nhỏ nên xung đột giữa các gói là nhỏ Dò tìm sự xung đột, như nó có được trong Ethernet, không thể sử dụng cho những sự truyền tần số sóng vô tuyến của 802.11

2.1.2.2 Cơ chế RTS/CTS

Cơ chế này cũng có chức năng tránh xung đột trên đường truyền Giả sử có dữ liệu qua điểm truy cập muốn được gửi đi tới một nút mạng không dây nào đó thì điểm truy cập sẽ gửi khung RTS tới nút không dây để thông báo trong khoảng thời gian xác định sẽ có dữ liệu được gửi tới và nút không dây sẽ đáp lại bằng khung CTS để báo

xảy ra và làm trễ việc truyền dữ liệu trong khoảng thời gian hợp lý Chính vì vậy mà

cơ chế này dữ liệu được truyền dễ dàng giữa các nút không có sự xung đột

2.1.2.3 Khung dữ liệu MAC trong 802.11

+ Điều khiển dữ liệu

+ 2 bit DS chỉ thị ý nghĩa của trường điạ chỉ

- Duration ID: chứa giá trị chu kỳ thời gian mà môi trường bị chiếm giữ

- Address 1-4: ý nghĩa của mỗi trường địa chỉ phụ thuộc vào các bit DS trong trường điều khiển khung

- Sequence Control: Chức năng sắp xếp trật tự các gói bị đảo lộn

- Data: dữ liệu hiển thị dạng nhị phân

- Checksum (CRC): kiểm tra lỗi

Khung MAC có thể được lưu truyền giữa các trạm và giữa các trạm và điểm truy cập hoặc giữa các điểm truy cập phụ thuộc vào giá trị của 2 bit DS trong trường điều khiển

2.2 Giao thức mạng không dây

Giao thức là tập hợp các qui tắc, qui ước chung để cho 2 hoặc nhiều máy tính có thể truyền thông với nhau Việc trao đổi thông tin, cho dù là đơn giản cũng phải tuân theo những qui tắc nhất định Do đó việc truyền thông tin trên mạng cũng cần phải có những qui ước về nhiều mặt, từ khuông dạng ( cú pháp, ngũ nghĩa) của dữ liệu cho tới các thủ tục gửi, nhận dữ liệu, kiểm soát hiệu quả và chất lượng truyền tin, xử lý các lỗi

và sự cố Yêu cầu về xử lý và trao đổi thông tin của người sử dụng càng cao thì các qui tắc càng nhiều và phức tạp hơn Tập tất cả các qui tắc, qui ước đó được gọi là giao

thức (protocol) mạng Các mạng có thể sử dụng các giao thức khác nhau tuỳ lựa chọn của nhà thiết kế và yêu cầu của người sử dụng

Chồng giao thức không dây:

- Sự truy nhập kiến trúc không dây bao gồm có một hệ thống trạm cơ sở phục

vụ những hệ thông người thuê bao Nó là một kiến trúc từ điểm tới nhiều điểm trong toàn bộ băng thông, dùng chung cho tất cả thuê bao truyền lên hay tải xuống Chồng giao thức được thực hiện để làm tất cả công việc này dựa vào những tiêu chuẩn DOCSIS phát triển bởi tập hợp những phòng thí nghiệm dây cáp

- Trạng thái hiện thời của kỹ thuật là phiên bản của CISCO gồm một trạm cơ

sở cuối cùng ( một bộ dẫn UBR7200); kết thúc trạm cơ sở và hoạt động thuê bao cuối cùng như những tác nhân chuyển tiếp và cũng như những hệ thống kết thúc (những máy chủ) Như những tác nhân chuyển tiếp, những hệ thống này hoạt động bên trong cũng có thể bắc cầu qua hoặc đánh tan cách thức Hàm chủ yếu của hệ thống không dây sẽ truyền những gói giao thức (IP) Internet rõ ràng giữa trạm cơ sở và dự định vị trí người thuê bao Những hàm quản lý nhất định cũng đi trên IP bao gồm những hàm quản lý phạm vi và những phần mềm tải xuống

- Cả thuê bao cuối cùng và trạm cơ sở cuối cùng của liên kết không dây là những máy chủ IP trên một mạng, và chúng hoàn toàn hỗ trợ tiêu chuẩn IP và những giao thức điều khiển liên kết logic (LLC), như được định nghĩa bởi Lan IEEE 802 IP và những giao thức (ARP) được hỗ trợ qua DIX và lớp liên kết khung SNAP Đơn vị truyền cực tiểu lớp liên kết tối thiểu (MTU) truyền

tự trạm cơ sở là 64 bytes; không có giới hạn như vậy cho người thuê bao cuối cùng IEEE 802.2 hỗ trợ cho kiểm tra và những thông báo XID được cung cấp

- Hàm sơ cấp của hệ thống không dây sẽ tới những gói trước Dữ liệu đẩy tới

hệ thống người thuê bao đang liên kết trong suốt lớp bắc cầu với 3 lớp lộ trình dựa vào IP Cả 2 trạm cơ sở cuối cùng và người thuê bao cuối cùng cùng đuợc hỗ trợ DOCSIS những giao thức “spanning tree” và bao gồm khả năng lọc 802.1 cầu nối pdus d(BPDUs) Đặc tả DOCSIS cũng giả thiết rằng những đơn vị người thuê bao sẽ không được nối trong một cấu hình mà tạo ra

cung cấp đầy đủ hỗ trợ khuông dạng cho giao thức quản lý nhóm Internet (IGMP)

Ngoài sự truyền dữ liệu của người dùng, còn có một số khả năng quản lý và thao tác mạng hỗ trợ cho trạm cơ sở và người thuê bao cuối cùng:

- Giao thức quản lý mạng đơn giản (SNMP), RFC-1157 cho quản lý mạng

- Giao thức truyền file thông thường (TFTP), RFC-1350, một giao thức truyền file, thông tin được cấu hình và phần mềm được load xuống, được sửa đổi bởi RFC 2349

- Giao thức cấu hình máy chủ động (DHCP), RFC-2131, thông tin được cấu hình qua 1 khung làm việc tới máy chủ trên một mạng TCP/IP

- Giao thức giờ của ngày RFC-868

2.3 Kiến trúc mạng không dây

Kiến trúc mạng máy tính (Network architecture) là cách thức kết nối các máy tính lại với nhau và tập hợp các qui tắc, qui ước mà tất cả các thực thể tham gia truyền thông trên mạng phải tuân theo để đảm bảo cho mạng hoạt động tốt

Có 2 kiểu nối mạng chủ yếu đối vơi mạng không dây là:

- Mạng Ad hoc hay mạng peer to peer, gồm một số máy tính với mỗi máy tính được trang bị card giao diện không dây (NIC) và có thể liên lạc trực tiếp với tất cả các máy tính khác Chúng có thể dùng chung file và máy in nhưng không có khả năng truy cập tài nguyên của Lan dây trừ khi một máy tính hoạt động như cầu kết nối tới LAN và sử dụng phần mềm đặc biệt

- Mạng Infrastructure: điểm truy cập có thể cung cấp sự truy cập từ mạng LAN

có dây truyền thống tới những trạm không dây Một sự tích hợp LAN có dây với mạng LAN không dây gọi là cấu hình Infrastructure Một bộ dịch vụ cơ bản BSS gồm một nhóm người dùng PC không dây và một điểm truy cập mà kết nối trực tiếp với LAN có dây Mỗi PC không dây trong BSS này có thể giao tiếp với bất kỳ một máy nào trong nhóm qua liên kết sóng radio, hoặc truy cập những máy khác hoặc những tài nguyên mạng trong cơ sở mạng LAN có dây thông qua AP

Một dạng khác dùng truy cập điểm hay trạm cơ sở: Kiểu này hoạt động như một Hub cung cấp khả năng giao tiếp với các máy tính Chúng có thể kết nối giữa LAN có

dây và LAN không dây, cho phép các máy tính kết nối không dây truy cập tới tài nguyên của LAN dây như các dịch vụ file hoặc liên kết Internet có sẵn

Có 2 kiểu truy cập điểm:

- Phần cứng chuyên dụng truy cập điểm (HAP): như WaveLan của Lucent, Base station của Apple hoặc AviatorPro của WebGear Phần cứng truy cập điểm thường hỗ trợ toàn diện hơn đối với đặc tính không dây

- Phần mềm truy cập điểm chạy trên máy tính với card giao diện mạng không dây thường được sử dụng trong Ad hoc cùng với sự tích hợp phần mềm hỗ trợ mạng Do đó có thể dùng chung file và máy in giữa LAN và WLAN

Sự khác nhau cơ bản của kiến trúc mạng không dây là ở 2 chế độ hoạt động:

- Infrastructure: Mạng không dây thường được mở rộng hơn và thay thế các mạng thông thường Các dây chính kết nối tới các nút mạch được gọi là các trạm cơ sở Các trạm cơ sở thường được qui ước là các máy tính cá nhân hoặc các trạm làm việc, chúng chịu trách nhiệm về việc kết hợp truy cập tới một hay nhiều kênh truyền với các vị trí chuyển động trong giới hạn các ô Các kênh truyền có thể độc lập tuần tự trong FDMA, các khe thời gian trong TDMA hoặc các mã trực giao hay các mẫu từ nơi này tới nơi khác trong trường hợp CDMA Vì vậy bên trong cơ sở hạ tầng mạng truy cập không dây

từ dây chủ xuất hiện bước nhảy giữa trạm cơ sở và máy chủ di động

- Ad-hoc: Các mạng Ad-hoc mô tả đặc điểm động, không báo trước, ngẫu nhiên đa bước nhảy ngắn Sự thay đổi định kỳ chuyển đổi công nghệ sử dụng với định hướng cập nhật các mạng Ad-hoc trợ giúp trong địa thế mà kết nối

là cần thiết thường sử dụng với môi trường quân đội

2.4 Phân bố địa chỉ IP

Mỗi một máy tính trên mạng đều được gắn một địa chỉ IP (địa chỉ logic) và một địa chỉ lớp MAC (địa chỉ vật lý)

Địa chỉ IP phiên bản 4 sử dụng 3 loại địa chỉ:

- Unicast: để thực hiện một giao diện riêng lẻ từ một hệ thống riêng lẻ Gói dữ liệu IP gửi tới một điạ chỉ Unicast sẽ được gửi tới tất cả các host riêng lẻ

- Multicast: để thực hiện một hoặc nhiều hơn các giao diện, nhưng đặc biệt

- Broadcast: thể hiện tất cả các giao diện trên tất cả các host Thông thường điều đó giới hạn ở tất cả các host trên mạng cục bộ

Hầu hết tất cả các host ứng dụng IP sẽ có một card hoặc một Modem mảng riêng

lẻ, và giao diện này sẽ có một địa chỉ IP riêng lẻ Khi có sự liên lạc giữa các host, thì hầu hết các tait đường truyền sẽ có địa chỉ Unicast trong cả địa chỉ nguồn và đích

IP phiên bản 4 hiện gồm 32 bit và chia làm 5 lớp mạng:

Classbit Net ID Host ID

Classbit: bit nhận dạng lớp

Net ID: địa chỉ mạng

Host ID: địa chỉ máy chủ

2.5 Thiết bị cho WLAN

Các thiết bị cho WLAN bao gồm 1 card giao diện không dây (wireless adaptor), điểm truy cập (AP) và anten thu phát sóng radio

2.5.1 Wireless Adaptor

Adaptor không dây là giao diện máy tính đến mạng không dây bằng sự điều chế tín hiệu dữ liệu với sự trải tuần tự và bổ sung hướng sóng mạng của giao thức truy cập Nếu máy tính cần gửi dữ liệu lên mạng, Adaptor sẽ nghe các quá trình truyền khác Nếu Adaptor không thấy hướng của quá trình truyền khác, nó sẽ truyền đi khung dữ liệu Các trạm khác liên tục nghe dữ liệu đến, sự giành được khung truyền và kiểm tra xem địa chỉ của nó có phù hợp với địa chỉ nguồn ở đầu khung hay không, nếu phù hợp

nó sẽ xử lý khung, nếu không nó sẽ loại bỏ khung

- Tự động lưu trữ tốc độ dữ liệu trên môi trường ồn

- Mã hoá dữ liệu với sự mã hoá 64 và 128 bit WEP

- Tương thích với hầu hết các hệ điều hành

- Hỗ trợ điều khiển RTS/CTS cho thông lượng tốt nhất

- Chức năng liên lạc di động có thể cung cấp đầy đủ các tính di động

b) Đặc tả

Tiêu chuẩn IEEE 802.11b và USB

Giao diện Loại USB tới PC

Giao thức truyền TCP/IP

Hỗ trợ hệ điều hành Windows 98/ 98se/ 2000/ Me

Dải tần số 2.4-2.4385 GHz

Điều chế CCK 11/5.5Mbps, DQPSK 2Mbps và

DBPSK 1Mbps

Kỹ thuật radio DSSS

Truy cập môi trường

Điều khiển CSMA/CA với ACK

Tốc độ dữ liệu 1/ 2/ 5/ 11 Mbps

Công suất lối ra 14.5 dBm (tiêu biểu)

Độ nhạy thu Min -76dBm cho 11 Mbps

Min -80 dBm cho 5.5/ 2/ 1 Mbps

Phạm vi Trong nhà 30-100m, bên ngoài

100-400m

Kiến trúc mạng Chế độ Adhoc và Infrastructure

Kiểu anten 2dBi dipole với chức năng đa dạng

Nhiệt độ Hoạt động 0-55C Lưu giữ 0-90C

Độ ẩm Hoạt động 0-70C Lưu giữ 0-90C

LED TX,RX,ACT,MAC.PLL và PWR

Kích thước vật lý 150mm*90mm*70mm

Bảng 2 Đặc tả WL-2100U

2.5.2 Anten

2.5.2.1 Đặc điểm chung của anten

Anten bức xạ ra cac tín hiệu được điều chế thông qua không trung để nơi nhận

có thể thu được Các anten đưa đến nhiều hình dạng và kích thước và có các tính chất điện cụ thể như sau:

- Kiểu truyền

- Công suất bức xạ

- Độ tăng ích anten

- Dải thông

Kiểu anten được định nghĩa là vùng bao phủ của nó Thật vậy, loại anten tác dụng theo mọi hướng phát công suất của nó trong tất cả các hướng, trong khi anten định hướng tập trung tất cả công suất của nó theo một hướng Công xuất bức xạ là hiệu suất đầu ra của máy phát radio Tất cả các thiết bị mạng không dây đều hoạt động ở công suất nhỏ hơn 5W

Anten định hướng có độ tăng ích cao hơn loại tác dụng theo mọi hướng và có khả năng truyền tín hiệu điều chế xa hơn Tổng độ tăng ích phụ thuộc vào hướng anten Anten Omni có độ tăng ích 1; có nghĩa là nó tập trung công suất trong bất kỳ hướng riêng biệt nào Sự kết hợp độ tăng ích và công suất phát của anten xác định khoảng cách tín hiệu sẽ được truyền Loại anten Omni được cài đặt trong trạm trung tâm trong ứng dụng không dây điểm điểm

Uni Yagi Uni Yagi Omni

VSWR (Voltage Standard Wave Ratio): Hệ số sóng đứng điện áp

2.5.3 Điểm truy cập (AP)

AP trong cấu hình Wlan đóng vai trò là điểm truy cập phục vụ khách hàng không dây Trong các cấu hình khác nhau, AP có thể là Wireless bridge, Router, Repeater

- Cầu không dây điểm - điểm ( Point to point Wireless Bridge): Để đạt được mục đích của việc kết nối các Lan có dây tách rời, có 2 loại cấu hình được thiết lập trong cầu không dây được gọi là “Bridge master” và “Bridge Slave”

- Cầu không dây điểm- đa điểm (Point to Multipoint Wireless Bridge): Khi liên kết 3 hoặc nhiều hơn các Lan với nhau (thường bên trong toà nhà hoặc giữa các ngôi nhà) Mỗi toà nhà yêu cầu một cầu không dây Cái này gọi là cầu không dây đa điểm

AP loại WL 2100A, 11 Mbps: Sử dụng chuẩn IEEE 802.11 DS tốc độ cao, với tốc độ kết nối không dây cao 11 Mbps, tiêu thụ công suất ít Dùng tiện ích quản lý SNMP, tự động dự phòng dữ liệu trong môi trường ồn với kỹ thuật mã hoá WEP 64/128 bit, và DSSS 2.4GHz AP này có phạm vi hoạt động trên 1800feet, hỗ trợ 64 người dùng, trong dải ISM

Tiêu chuẩn IEEE 802.11 cho Wlan

Kiểu điều chế dữ liệu BPSK/QPSK/CKK

Phạm vi hoạt động 35-100m(trong nhà) 100-300m(khoảng mở)

Chỉ thị LED Power, Wireless Activity, Ethernet Link

Giao diện Ethernet 10Base-T(RJ45)

Công suất lối ra 15dBm (tiêu biểu)

Kiến trúc mạng Ad hoc, Infrastructure, Roaming

Công suất lối vào AC 100-2400V, 50-60GHz, 1A

Nhiệt độ Hoạt động ở 0-40C, lưu giữ 20-70C

Bảng 4 AP loại WL 2100A

PHẦN 2 MẠNG CẢM NHẬN KHễNG DÂY (WSN)

Một báo cáo hội đồng nghiên cứu quốc gia Hoa Kỳ đã chỉ ra rằng việc sử dụng các mạng như vậy khắp mọi nơi trong xã hội có thể là một cuộc cách mạng khoa học thông tin Các mạng cảm nhận không dây cung cấp các cầu giữa các thế giới ảo của công nghệ thông tin và thế giới vật lý thật Nó sẽ giới thiệu một khung mẫu gốc chuyển từ giao tiếp cá nhân theo kiểu truyền thống trong thế giới loài người sang kiểu giao tiếp giữa các thiết bị một cách tự động Nó hứa hẹn một khả năng mới chưa từng có để quan sát và hiểu được các bề mặt rộng lớn, các hiện tượng tự nhiên thực với giải pháp về không gian và thời gian Với kết quả đó, mạng cảm nhận không dây cũng cho thấy tiềm năng có thể đem lại một tiến bộ trong khoa học quân sự

Một trong những nỗ lực nghiên cứu sớm nhất trong hướng đi này là dự án năng lượng thấp không dây được tích hợp trong vi cảm biến (LWIM) ở UCLA bởi Darpa Dự án LWIM tập trung phát triển các thiết bị có năng lượng điện tử thấp trong một thứ tự lớn nhất có thể cho các mạng cảm nhận không dây dày

đặc Dự án này được kế tiếp bởi dự án cảm biến mạng tích hợp không dây WINS trong một vài năm nữa, trong đó những nhà nghiên cứu ở UCLA đã cộng tác với Rockwell Science Center để phát triển một trong những thiết bị cảm biến không dây đầu tiên Các dự án sớm khác trong lĩnh vực này gồm MIT, Berkeley, USC